進程創建

再次認識fork()函數

fork函數初識：在linux中fork函數是?常重要的函數，它從已存在進程中創建?個新進程。新進程為?進程，?原進程為?進程。

#include <unistd.h>
pid_t fork(void);
返回值：?進程中返回0，?進程返回?進程id，出錯返回-1

進程調?fork，當控制轉移到內核中的fork代碼后，內核做：

• 分配新的內存塊和內核數據結構給?進程
• 將?進程部分數據結構內容拷???進程
• 添加?進程到系統進程列表當中
• fork返回，開始調度器調度

可以看到， 里面創建了一個進程pid3109，這其實就是子進程。

當?個進程調?fork之后，就有兩個?進制代碼相同的進程。?且它們都運?到相同的地?。但每個進
程都將可以開始它們??的旅程，看如下程序。

int main( void )
{pid_t pid;printf("Before: pid is %d\n", getpid());if ( (pid=fork()) == -1 )perror("fork()"),exit(1);printf("After:pid is %d, fork return %d\n", getpid(), pid);sleep(1);return 0;
}

運?結果：

[root@localhost linux]# ./a.out
Before: pid is 43676
After:pid is 43676, fork return 43677
After:pid is 43677, fork return 0

這?看到了三?輸出，??before，兩?after。進程43676先打印before消息，然后它有打印after。
另?個after消息有43677打印的。注意到進程43677沒有打印before，為什么呢？如下圖所?

所以，fork之前?進程獨?執?，fork之后，??兩個執?流分別執?。注意，fork之后，誰先執?完全由調度器決定。

fork()函數返回值

• ?進程返回0，
• ?進程返回的是?進程的pid。

寫時拷貝

寫時拷貝（Copy-on-write, COW）是一種優化技術，廣泛應用于計算機系統中，特別是在操作系統、虛擬化和內存管理領域。其主要目的是節省內存資源和提高效率。

工作原理：
寫時拷貝的基本思想是，當多個進程共享相同的資源（例如內存或文件）時，如果一個進程對這些資源進行修改，系統并不會立即為該進程創建資源的副本，而是推遲到該進程真正進行修改時，才為它分配一個新的副本。具體步驟如下：

• 共享資源：多個進程最初可以共享同一塊內存區域或文件（即資源是只讀的）。
• 標記只讀：系統會將這些共享的資源標記為只讀。
• 修改時拷貝：當一個進程嘗試修改共享資源時，操作系統會為該進程創建資源的副本，并將其設為可寫。其他進程仍然使用原始資源，而修改的進程則使用新的副本。
• 繼續共享：如果其他進程繼續只讀訪問原始資源，不會進行拷貝，節省內存和計算資源。
  具體的理解可以看下面這一張圖片：
  

優點：

• 節省內存：由于多個進程或線程可以共享同一資源副本，減少了內存的消耗。
• 提高性能：避免不必要的拷貝操作，只有在修改資源時才進行拷貝，從而提高了效率。
• 提高數據一致性：寫時拷貝確保在修改數據時不會影響其他進程或線程讀取到的數據，避免了數據沖突。

缺點：

• 延遲開銷：在第一次修改資源時，系統需要創建資源的副本，這可能帶來一定的性能開銷。
• 資源消耗：如果多個進程頻繁進行寫操作，系統會進行多次資源拷貝，可能增加資源消耗。

fork常規?法以及調用失敗的原因

• ?個?進程希望復制??，使??進程同時執?不同的代碼段。例如，?進程等待客?端請求，?成?進程來處理請求。
• ?個進程要執??個不同的程序。例如?進程從fork返回后，調?exec函數。

原因：

• 系統中有太多的進程
• 實際??的進程數超過了限制

進程終?

進程終?的本質是釋放系統資源，就是釋放進程申請的相關內核數據結構和對應的數據和代碼。

進程終止對應的三種情況

1. 代碼運?完畢，結果正確
2. 代碼運?完畢，結果不正確
3. 代碼異常終止

進程常?退出?法

正常終?（可以通過 echo $? 查看進程退出碼）：

1. 從main返回
2. 調?exit
3. _exit

異常退出：

• ctrl + c，信號終?

退出碼（退出狀態）可以告訴我們最后?次執?的命令的狀態。在命令結束以后，我們可以知道命令是成功完成的還是以錯誤結束的。其基本思想是，程序返回退出代碼 0 時表?執?成功，沒有問題。

代碼 1 或 0 以外的任何代碼都被視為不成功。

下面是Linuxshell常見的退出碼

_exit函數

#include <unistd.h>
void _exit(int status);
參數：status 定義了進程的終?狀態，?進程通過wait來獲取該值

• 說明：雖然status是int，但是僅有低8位可以被?進程所?。所以_exit(-1)時，在終端執?$?發現返回值是255。

exit函數

#include <unistd.h>
void exit(int status);

exit最后也會調?_exit, 但在調?_exit之前，還做了其他?作：

1. 執???通過 atexit或on_exit定義的清理函數。
2. 關閉所有打開的流，所有的緩存數據均被寫?
3. 調?_exit
   
   示例；

int main()
{
printf("hello");
exit(0);
}int main()
{
printf("hello");
_exit(0);
}

上面的結果分別為：

運?結果:
[root@localhost linux]# ./a.out
hello[root@localhost linux]#
運?結果:
[root@localhost linux]# ./a.out
[root@localhost linux]#

return退出

return是?種更常?的退出進程?法。執?return n等同于執?exit(n),因為調?main的運?時函數會將main的返回值當做 exit的參數。

進程等待

進程等待是指在操作系統中，當一個進程無法繼續執行時，它進入一種阻塞狀態，等待某些條件或事件的發生才能恢復執行。等待通常發生在進程需要等待資源（如CPU、內存、I/O設備等）或與其他進程之間的同步和通信。

進程等待的必要性

• 資源共享與避免沖突：多個進程共享資源時，等待機制確保不會發生沖突，避免競爭條件。

• 進程同步與通信：確保進程按照正確順序執行，例如生產者和消費者模型。

• CPU資源管理：避免無謂的CPU占用，讓等待的進程釋放CPU，提高系統效率。

• 防止死鎖：通過合理設計等待策略，避免多個進程互相等待，進入死鎖狀態。

• 提升并發性：使系統能夠并發執行多個進程，最大化資源利用。

• 提高系統穩定性：管理進程優先級，保證重要任務及時執行，確保系統穩定運行。

進程等待的?法

1. wait?法

#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
pid_t wait(int* status);
返回值：
成功返回被等待進程pid，失敗返回-1。
參數：
輸出型參數，獲取?進程退出狀態,不關?則可以設置成為NULL

2. waitpid?法

pid_ t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);
返回值：
當正常返回的時候waitpid返回收集到的?進程的進程ID；
如果設置了選項WNOHANG,?調?中waitpid發現沒有已退出的?進程可收集,則返回0；
如果調?中出錯,則返回-1,這時errno會被設置成相應的值以指?錯誤所在；
參數：
pid：
Pid=-1,等待任?個?進程。與wait等效。
Pid>0.等待其進程ID與pid相等的?進程。
status: 輸出型參數
WIFEXITED(status): 若為正常終??進程返回的狀態，則為真。（查看進程是否是正常退出）
WEXITSTATUS(status): 若WIFEXITED?零，提取?進程退出碼。（查看進程的退出碼）
options:默認為0，表?阻塞等待。
WNOHANG: 若pid指定的?進程沒有結束，則waitpid()函數返回0，不予以等待。若正常結束，則返回該?進程的ID。

• 如果?進程已經退出，調?wait/waitpid時，wait/waitpid會?即返回，并且釋放資源，獲得?進程退出信息。
• 如果在任意時刻調?wait/waitpid，?進程存在且正常運?，則進程可能阻塞。
• 如果不存在該?進程，則?即出錯返回。
  

3. 獲取?進程status

• wait和waitpid，都有?個status參數，該參數是?個輸出型參數，由操作系統填充。
• 如果傳遞NULL，表?不關??進程的退出狀態信息。
• 否則，操作系統會根據該參數，將?進程的退出信息反饋給?進程。
• status不能簡單的當作整形來看待，可以當作位圖來看待，具體細節如下圖（只研究status低16?特位）：
  

進程的阻塞等待?式：

int main()
{pid_t pid;pid = fork();if(pid < 0){printf("%s fork error\n",__FUNCTION__);return 1;} else if( pid == 0 ){ //childprintf("child is run, pid is : %d\n",getpid());sleep(5);exit(257);} else{int status = 0;pid_t ret = waitpid(-1, &status, 0);//阻塞式等待，等待5S printf("this is test for wait\n");if( WIFEXITED(status) && ret == pid ){printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));}else{printf("wait child failed, return.\n");return 1;}}return 0;
}
運?結果:
[root@localhost linux]# ./a.out
child is run, pid is : 45110
this is test for wait
wait child 5s success, child return code is :1.

進程的?阻塞等待?式：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <vector>
typedef void (*handler_t)(); // 函數指針類型 
std::vector<handler_t> handlers; // 函數指針數組 
void fun_one() 
{printf("這是?個臨時任務1\n");
}
void fun_two() 
{printf("這是?個臨時任務2\n");
}
void Load() 
{handlers.push_back(fun_one);handlers.push_back(fun_two);
}
void handler() 
{if (handlers.empty())Load();for (auto iter : handlers)iter();
}
int main() 
{pid_t pid;pid = fork();if (pid < 0) {printf("%s fork error\n", __FUNCTION__);return 1;} else if (pid == 0) { // childprintf("child is run, pid is : %d\n", getpid());sleep(5);exit(1);} else {int status = 0;pid_t ret = 0;do {ret = waitpid(-1, &status, WNOHANG); // ?阻塞式等待 if (ret == 0) {printf("child is running\n");}handler();} while (ret == 0);if (WIFEXITED(status) && ret == pid) {printf("wait child 5s success, child return code is :%d.\n",WEXITSTATUS(status));} else {printf("wait child failed, return.\n");return 1;}}return 0;
}